Това е дискусия за генетични пътища, но ще започна, като ви разкажа една кратка история. Преди двадесет години биолог на име Антъни Джеймс се обсеби от идеята да създаде комари, които не пренасят малария.
So this is a talk about gene drives, but I'm going to start by telling you a brief story. 20 years ago, a biologist named Anthony James got obsessed with the idea of making mosquitos that didn't transmit malaria.
Беше страхотна идея и почти пълен провал. Първо се оказа, че е наистина трудно да се направи комар, устойчив на малария. Джеймс в крайна сметка успя само преди няколко години, като добави някои гени, които правят невъзможно оцеляването в комара на паразита на маларията.
It was a great idea, and pretty much a complete failure. For one thing, it turned out to be really hard to make a malaria-resistant mosquito. James managed it, finally, just a few years ago, by adding some genes that make it impossible for the malaria parasite to survive inside the mosquito.
Но това само създаде друг проблем. Сега, след като имате комар, устойчив на малария, как ще направите така, че той да замести всички комари, които пренасят малария? Има няколко варианта, но план А в общи линии включва развъждане на няколко нови генно модифицирани комара, пускане на комарите в природата и стискане на палци да предадат гените си. Проблемът беше, че ще трябва да пуснете буквално 10 пъти повече комари от естествено обитаващите средата. Така че в едно село с 10 000 комара трябва да пуснете допълнително 100 000. Както можете да предположите, това не беше особено харесвана от селяните стратегия.
But that just created another problem. Now that you've got a malaria-resistant mosquito, how do you get it to replace all the malaria-carrying mosquitos? There are a couple options, but plan A was basically to breed up a bunch of the new genetically-engineered mosquitos release them into the wild and hope that they pass on their genes. The problem was that you'd have to release literally 10 times the number of native mosquitos to work. So in a village with 10,000 mosquitos, you release an extra 100,000. As you might guess, this was not a very popular strategy with the villagers.
(Смях)
(Laughter)
После, миналия януари Антъни Джеймс получи мейл от биолог на име Итън Биър. Биър каза, че той и студентът му Валентино Ганц са попаднали на инструмент, който може не само да гарантира, че определена генетична черта ще бъде наследена, но и че ще се разпространи изключително бързо. Ако излезеха прави, това реално щеше да реши проблема, върху който той и Джеймс са работили 20 години.
Then, last January, Anthony James got an email from a biologist named Ethan Bier. Bier said that he and his grad student Valentino Gantz had stumbled on a tool that could not only guarantee that a particular genetic trait would be inherited, but that it would spread incredibly quickly. If they were right, it would basically solve the problem that he and James had been working on for 20 years.
Като тест те създадоха два комара, които да пренесат анти-маларийния ген, както и новия инструмент - генетичен път, който ще разясня след минута. В крайна сметка го настроиха така, че всеки комар, който е наследил анти-маларийния ген, няма да има обичайния бял цвят на очите, а вместо това ще бъде с червени очи. Това беше основно за удобство, за да могат само с един поглед да различават кой какъв е.
As a test, they engineered two mosquitos to carry the anti-malaria gene and also this new tool, a gene drive, which I'll explain in a minute. Finally, they set it up so that any mosquitos that had inherited the anti-malaria gene wouldn't have the usual white eyes, but would instead have red eyes. That was pretty much just for convenience so they could tell just at a glance which was which.
И така, взеха своите два анти-маларийни червенооки комара и ги поставиха в кутия заедно с 30 нормални белооки такива, за да се размножават. След две поколения бяха произвели 3800 внуци. Това не е изненадващата част. Това е изненадващата част: имайки предвид, че започват само с два червенооки комара и тридесет белооки, очакванията ви биха били за преобладаващи белооки наследници. Вместо това, когато Джеймс отвори кутията, всичките 3800 комара имаха червени очи.
So they took their two anti-malarial, red-eyed mosquitos and put them in a box with 30 ordinary white-eyed ones, and let them breed. In two generations, those had produced 3,800 grandchildren. That is not the surprising part. This is the surprising part: given that you started with just two red-eyed mosquitos and 30 white-eyed ones, you expect mostly white-eyed descendants. Instead, when James opened the box, all 3,800 mosquitos had red eyes.
Когато попитах Итън Биър за този момент, той се въодушеви толкова много, че буквално крещеше в телефона си. Това е защото получаването на само червенооки комари нарушава правило, което е абсолютен закон в биологията, Менделовата генетика. Ще бъда кратка, но според Менделовата генетика, когато мъжки и женска се репродуцират, бебето им наследява половината от своята ДНК от всеки родител. Така че, ако първоначалният ни комар е бил aa, а новият ни комар е бил aB, където B е анти-маларийният ген, бебетата би трябвало да се родят в четири пермутации: aa, aB, aa, Ba. Вместо това, с помощта на новия генетичен път, всички се родиха в aB. Биологично това не би трябвало дори да е възможно.
When I asked Ethan Bier about this moment, he became so excited that he was literally shouting into the phone. That's because getting only red-eyed mosquitos violates a rule that is the absolute cornerstone of biology, Mendelian genetics. I'll keep this quick, but Mendelian genetics says when a male and a female mate, their baby inherits half of its DNA from each parent. So if our original mosquito was aa and our new mosquito is aB, where B is the anti-malarial gene, the babies should come out in four permutations: aa, aB, aa, Ba. Instead, with the new gene drive, they all came out aB. Biologically, that shouldn't even be possible.
Така че какво се случи? Първото нещо, което се случи, бе появата на новия инструмент за промяна на ДНК, известен като CRISPR, през 2012. Много от вас вероятно са чували за CRISPR, така че само ще обясня накратко, че CRISPR е инструмент, позволяващ на учените да редактират гените много прецизно, лесно и бързо. Постига това, оползотворявайки механизъм, който вече съществува в бактериите. В основата си това е протеин, който действа като ножици и реже молекулата на ДНК, като има РНК молекула, която насочва ножиците към кое да е място в генома, избрано от вас. Резултатът на практика е текстови редактор за гени. Можете да изтривате цял един ген, да добавяте ген или дори да редактирате само една буква в гена. И можете да го правите при почти всички видове организми.
So what happened? The first thing that happened was the arrival of a gene-editing tool known as CRISPR in 2012. Many of you have probably heard about CRISPR, so I'll just say briefly that CRISPR is a tool that allows researchers to edit genes very precisely, easily and quickly. It does this by harnessing a mechanism that already existed in bacteria. Basically, there's a protein that acts like a scissors and cuts the DNA, and there's an RNA molecule that directs the scissors to any point on the genome you want. The result is basically a word processor for genes. You can take an entire gene out, put one in, or even edit just a single letter within a gene. And you can do it in nearly any species.
Помните ли как казах, че генетичните пътища първоначално имаха два проблема? Първият бе, че беше трудно да се създаде комар, който да е устойчив на малария. Това реално е решено, благодарение на CRISPR. Но другият проблем беше логистичен. Как да накараш твоята черта да се разпространи? Тук решението става гениално.
OK, remember how I said that gene drives originally had two problems? The first was that it was hard to engineer a mosquito to be malaria-resistant. That's basically gone now, thanks to CRISPR. But the other problem was logistical. How do you get your trait to spread? This is where it gets clever.
Преди няколко години биолог от Харвард на име Кевин Есвелт се зачуди какво би станало, ако направехме така, че CRISPR да вкарва не само новия ни ген, но и механизма, който извършва рязането и поставянето. С други думи, какво ако CRISPR изрязваше и поставяше самия себе си. Бихме получили непрекъснато работеща машина за редактиране на гени. И се случи именно това. Този базиран на CRISPR генетичен път, който Есвелт създаде, не само гарантира, че чертата ще бъде предадена, но ако се ползва в зародишната линия от клетки, автоматично ще копира и постави вашия нов ген и в двете хромозоми на всеки един нов индивид. Той е като глобално търсене и заместване, или казано с научни термини, той прави една хетерозиготна черта хомозиготна.
A couple years ago, a biologist at Harvard named Kevin Esvelt wondered what would happen if you made it so that CRISPR inserted not only your new gene but also the machinery that does the cutting and pasting. In other words, what if CRISPR also copied and pasted itself. You'd end up with a perpetual motion machine for gene editing. And that's exactly what happened. This CRISPR gene drive that Esvelt created not only guarantees that a trait will get passed on, but if it's used in the germline cells, it will automatically copy and paste your new gene into both chromosomes of every single individual. It's like a global search and replace, or in science terms, it makes a heterozygous trait homozygous.
Е, какво значи това? На първо място, това значи, че притежаваме един много мощен, но и донякъде смущаващ, нов инструмент. До този момент фактът, че генетичните пътища не работеха много добре, всъщност беше някакво облекчение. Обикновено когато се намесваме в гените на един организъм, го правим по-малко еволюционно пригоден. Така че биолозите могат да си правят колкото си искат мутирали мушици винарки, без да се притесняват от това. Ако някои от тях избягат, естественият подбор ще се справи с тях.
So, what does this mean? For one thing, it means we have a very powerful, but also somewhat alarming new tool. Up until now, the fact that gene drives didn't work very well was actually kind of a relief. Normally when we mess around with an organism's genes, we make that thing less evolutionarily fit. So biologists can make all the mutant fruit flies they want without worrying about it. If some escape, natural selection just takes care of them.
Това, което е забележително и могъщо, и плашещо в генетичните пътища, е че това вече няма да е вярно. Предполагайки, че чертата ви няма голям еволюционен недостатък, като комар, който не може да лети, генетичният път, базиран на CRISPR, ще разпространява промяната безапелационно, докато не я предаде на всеки един индивид от популацията. Не е лесно да се създаде генетичен път, който работи толкова добре, но Джеймс и Есвелт мислят, че можем да го направим.
What's remarkable and powerful and frightening about gene drives is that that will no longer be true. Assuming that your trait does not have a big evolutionary handicap, like a mosquito that can't fly, the CRISPR-based gene drive will spread the change relentlessly until it is in every single individual in the population. Now, it isn't easy to make a gene drive that works that well, but James and Esvelt think that we can.
Добрата новина е, че това ни отваря врати към някои забележителни неща. Ако поставите анти-малариен генетичен път в само 1 процент от маларийните комари, видът комари, който пренася малария, учените изчисляват, че ще се разпространи в цялата популация в рамките на година. Така че за една година можете на практика да елиминирате маларията. Реално все още ни трябват няколко години, за да можем да правим това, но все пак - 1000 деца на ден умират от малария. В рамките на година това число може да се сведе почти до нула. Същото важи и за тропическата треска, за чикунгуня, за жълтата треска.
The good news is that this opens the door to some remarkable things. If you put an anti-malarial gene drive in just 1 percent of Anopheles mosquitoes, the species that transmits malaria, researchers estimate that it would spread to the entire population in a year. So in a year, you could virtually eliminate malaria. In practice, we're still a few years out from being able to do that, but still, a 1,000 children a day die of malaria. In a year, that number could be almost zero. The same goes for dengue fever, chikungunya, yellow fever.
И става все по-хубаво. Да кажем, че искате да се отървете от инвазивни видове, като например да премахнете азиатския шаран от Големите езера. Всичко, което трябва да направите, е да пуснете генетичен път, който кара рибите да имат само мъжко поколение. След няколко поколения няма да са останали женски и шараните ще изчезнат. На теория това значи, че бихме могли да върнем стотици естествени видове, застрашени от изчезване.
And it gets better. Say you want to get rid of an invasive species, like get Asian carp out of the Great Lakes. All you have to do is release a gene drive that makes the fish produce only male offspring. In a few generations, there'll be no females left, no more carp. In theory, this means we could restore hundreds of native species that have been pushed to the brink.
Добре, това са добрите новини, ето ги лошите новини. Генетичните пътища са така ефективни, че дори случайно пускане на път може да промени цял един вид и често изключително бързо. Антъни Джеймс е взел добри предпазни мерки. Развъдил е комарите си в био-ограничена лаборатория и е ползвал видове, които не се срещат в САЩ, така че дори някои да избягат, просто ще измрат, няма да има с кого да се репродуцират. Но е вярно също, че ако дузина азиатски шарана с изцяло мъжки генетичен път случайно бъдат отнесени по течението от Големите езера обратно към Азия, потенциално могат да изличат цялата естествена популация от азиатски шарани. И това не е така малко вероятно, имайки предвид колко свързан е светът. Всъщност, точно затова имаме проблем с инвазивни видове. А тук говорим за риба. Неща като комарите и мушиците винарки - буквално няма начин да бъдат ограничени. Те преминават през граници и океани през цялото време.
OK, that's the good news, this is the bad news. Gene drives are so effective that even an accidental release could change an entire species, and often very quickly. Anthony James took good precautions. He bred his mosquitos in a bio-containment lab and he also used a species that's not native to the US so that even if some did escape, they'd just die off, there'd be nothing for them to mate with. But it's also true that if a dozen Asian carp with the all-male gene drive accidentally got carried from the Great Lakes back to Asia, they could potentially wipe out the native Asian carp population. And that's not so unlikely, given how connected our world is. In fact, it's why we have an invasive species problem. And that's fish. Things like mosquitos and fruit flies, there's literally no way to contain them. They cross borders and oceans all the time.
Другата лоша новина е, че един генетичен път може да не остане ограничен само в целевия вид организъм. Причината е генетичният поток, което е изискан начин да кажем, че близки видове понякога се размножават помежду си. Ако това се случи, е възможно един генетичен път да прескочи, например азиатският шаран да зарази с него друг вид шаран. Това не е толкова зле, ако пътят ви въвежда само черта, като цвят на очите. Всъщност има добър шанс да видим цяла вълна от причудливи мушици винарки в близко бъдеще. Но може да настъпи катастрофа, ако пътят ви е настроен да елиминира напълно целия вид.
OK, the other piece of bad news is that a gene drive might not stay confined to what we call the target species. That's because of gene flow, which is a fancy way of saying that neighboring species sometimes interbreed. If that happens, it's possible a gene drive could cross over, like Asian carp could infect some other kind of carp. That's not so bad if your drive just promotes a trait, like eye color. In fact, there's a decent chance that we'll see a wave of very weird fruit flies in the near future. But it could be a disaster if your drive is deigned to eliminate the species entirely.
Последното тревожно нещо е, че необходимата технология за това, за генетичното модифициране на организъм и добавянето на генетичен път, е нещо, което реално всяка една лаборатория в света може да направи. Студент може да го направи. Талантлив ученик с малко оборудване под ръка може да го направи.
The last worrisome thing is that the technology to do this, to genetically engineer an organism and include a gene drive, is something that basically any lab in the world can do. An undergraduate can do it. A talented high schooler with some equipment can do it.
Предполагам, че това звучи ужасяващо.
Now, I'm guessing that this sounds terrifying.
(Смях)
(Laughter)
Интересно е обаче, че почти всеки учен, с когото разговарям, изглежда е на мнение, че генетичните пътища не са така плашещи или опасни. Отчасти защото вярват, че учените ще бъдат много предпазливи и отговорни при употребата им.
Interestingly though, nearly every scientist I talk to seemed to think that gene drives were not actually that frightening or dangerous. Partly because they believe that scientists will be very cautious and responsible about using them.
(Смях)
(Laughter)
До момента това е било така. Но генетичните пътища имат и някои реални ограничения. Едно такова е, че действат само при сексуално репродуктивни видове. Така че слава богу, не могат да се ползват за създаването на вируси или бактерии. Също така, чертата се предава само чрез всяко поредно поколение. Така че промяната или изличаването на популация е възможно на практика, само ако видът има бърз репродуктивен цикъл, като насекомите или може би малките гръбначни животни като мишките и рибите. При слоновете или хората би отнело векове за една черта да се разпространи широко, така че да има значение.
So far, that's been true. But gene drives also have some actual limitations. So for one thing, they work only in sexually reproducing species. So thank goodness, they can't be used to engineer viruses or bacteria. Also, the trait spreads only with each successive generation. So changing or eliminating a population is practical only if that species has a fast reproductive cycle, like insects or maybe small vertebrates like mice or fish. In elephants or people, it would take centuries for a trait to spread widely enough to matter.
Също, дори с CRISPR, не е така лесно да се създаде истински пагубна черта. Да речем, че искате да създадете винарка, която се храни само с нормални плодове, вместо с изгнили, с цел да саботирате американското земеделие. Първо, ще трябва да откриете кои гени контролират какво иска да яде мушицата, което само по себе си е много дълъг и сложен проект. После ще трябва да промените тези гени, за да промените поведението на мухата до такова, каквото бихте искали да бъде, което е дори още по-дълъг и още по-сложен проект. И може и въобще да не сработи, защото гените, контролиращи поведението, са комплексни. Така че, ако сте терорист и трябва да избирате между изтощителна базова изследователска програма, която ще ви отнеме години щателна лабораторна работа без гаранция за успех, и взривяването на неща? Вероятно ще изберете второто.
Also, even with CRISPR, it's not that easy to engineer a truly devastating trait. Say you wanted to make a fruit fly that feeds on ordinary fruit instead of rotting fruit, with the aim of sabotaging American agriculture. First, you'd have to figure out which genes control what the fly wants to eat, which is already a very long and complicated project. Then you'd have to alter those genes to change the fly's behavior to whatever you'd want it to be, which is an even longer and more complicated project. And it might not even work, because the genes that control behavior are complex. So if you're a terrorist and have to choose between starting a grueling basic research program that will require years of meticulous lab work and still might not pan out, or just blowing stuff up? You'll probably choose the later.
Това важи в голяма степен, тъй като дори на теория би трябвало да е доста лесно да се създаде така наречения обратен път. Той на практика пренаписва промяната, направена от първия генетичен път. Така че, ако не харесвате ефектите от направена промяна, можете да вкарате втори път, който да я отмени, поне на теория.
This is especially true because at least in theory, it should be pretty easy to build what's called a reversal drive. That's one that basically overwrites the change made by the first gene drive. So if you don't like the effects of a change, you can just release a second drive that will cancel it out, at least in theory.
Къде ни оставя всичко това? Сега притежаваме способността да променяме цели видове по наша воля. А редно ли е да го правим? Богове ли сме станали? Не съм сигурна, че бих казала това. Но ще кажа следното: първо, някои много умни хора дори в момента водят дебати за това как да регулираме генетичните пътища. В същото време някои други много умни хора работят здраво за създаването на предпазни мерки, като пътища, които се саморегулират или се изличават след няколко поколения. Това е страхотно. Но тази технология все още се налага да бъде дискутирана. И познавайки естеството на генетичните пътища, тази дискусия трябва да бъде глобална. Какво ако Кения иска да използва път, а Танзания не иска? Кой решава дали да пусне генетичен път на свобода?
OK, so where does this leave us? We now have the ability to change entire species at will. Should we? Are we gods now? I'm not sure I'd say that. But I would say this: first, some very smart people are even now debating how to regulate gene drives. At the same time, some other very smart people are working hard to create safeguards, like gene drives that self-regulate or peter out after a few generations. That's great. But this technology still requires a conversation. And given the nature of gene drives, that conversation has to be global. What if Kenya wants to use a drive but Tanzania doesn't? Who decides whether to release a gene drive that can fly?
Нямам отговор на този въпрос. Всичко, което можем да направим занапред, мисля, е да говорим открито за рисковете и ползите, и да поемем отговорност за изборите, които правим. Под това имам предвид не само избора да използваме генетичен път, но и избора да не ползваме такъв. Хората имат склонността да вярват, че най-безопасният избор е да се запази статуквото. Но това невинаги е така. Генетичните пътища носят рискове и те трябва да бъдат дискутирани, но маларията съществува в момента и убива 1000 души на ден. В борбата с нея пръскаме пестициди, които причиняват огромни вреди на други видове, включително земноводни и птици.
I don't have the answer to that question. All we can do going forward, I think, is talk honestly about the risks and benefits and take responsibility for our choices. By that I mean, not just the choice to use a gene drive, but also the choice not to use one. Humans have a tendency to assume that the safest option is to preserve the status quo. But that's not always the case. Gene drives have risks, and those need to be discussed, but malaria exists now and kills 1,000 people a day. To combat it, we spray pesticides that do grave damage to other species, including amphibians and birds.
Kогато чуете за генетични пътища през следващите няколко месеца, и повярвайте ми, ще чувате за тях, запомнете това. Действието може да ни ужасява, но понякога бездействието е по-лошо.
So when you hear about gene drives in the coming months, and trust me, you will be hearing about them, remember that. It can be frightening to act, but sometimes, not acting is worse.
(Ръкопляскане)
(Applause)